Роль Передачи Сигналов WNT

Should I Stay or Should I Go: Wnt Signals at the Synapse Elizabeth Davis and Anirvan Ghosh Cell V.130, No.4, P. 593-596, August 24, 2007
Several extracellular factors, including Wnt proteins, have been reported to induce synapse formation. In this issue, Klassen and Shen (2007) report that Wnt proteins can also act as antisynaptogenic signals to prevent synapse formation in certain parts of the worm Caenorhabditis elegans. The differential response of axon populations to local Wnt proteins may contribute to the patterning of synaptic connections.	Установление функциональных рефлекторных дуг (circuits) в нервной системе нуждается в значительной специфичности при образовании синаптических соединений. Существенный прогресс был достигнут в понимании того, как нейроны, используя позитивные синаптогенные сигналы образуют синапсы на соотв. клетках мишенях. Примерами таких позитивных медиаторов синаптической специфичности являются SYG-1 и SYG-2, открытые у червя C. elegans. Эти две молекулы служат для наведения HSNL моторного нейрона, одного из 4-х нейронов, ответственных за яйцекладки. Без SYG-1 (локализующегося в окружающих эпителиальных клетках, где HSNL нейрон д. сформировать синапс) или SYG-2 (рецептора для SYG-1, расположенного на HSNL аксоне), специфичность синапсов нарушается и формируются эктопические синапсы на несоотв. клетках мишенях (Shen and Bargmann, 2003 and Shen et al., 2004). Сбалансированы ли такие позитивные сигналы негативными сигналами, которые предупреждают образование синапсов в несоотв. зонах мишенях? Klassen and Shen (2007) показали, что Wnt белки могут осуществлять антисинаптогенный эффект, чтобы предупредить иннервацию несоотв. клеток мишеней. Интересно, что Wnt белки, как известно, способствуют образованию синапсов, это говорит о том, что Wnts могут осуществлять про- и антисинаптогенные эффекты на разных клеточных популяциях, влияя на паттерны иннервации. Klassen and Shen (2007), использовали DA9 нейрон у C. elegans чтобы продемонстрировать, как нейрон может посылать аксон через асинаптическую зону, чтобы достичь своей области мишени, не образуя ненужных синапсов. Нейрон DA9 имеет хорошо закрепленную позицию у C. elegans. Аксон отрастает от тела клетки на вентральной стороне червя и идет в направлении хвоста. Достигнув хвоста аксон поворачивает, переходит на дорсальную сторону и идет кпереди, чтобы сформировать синапс с мышцами дорсальной стенки тела, VD классом ингибирующих нейронов (Figure 1). Хотя мишени для этого нейрона мышцы стенки тела и ингибирующие нейроны находятся на дорсальной стороне червя, он не образует пресинаптических окончаний на наиболее заднем конце аксона. Klassen and Shen (2007) показали, что такое отсутствие образования синапсов является результатом передачи сигналов Wnt, т.о. указывая, что Wnts могут отвечать за распознавание синаптических зон. Wnt Proteins in C. elegans Wnts являются крупным классом сигнальных молекул, участвующих в разнообразных процессах в ходе развития, таких как спецификация осей тела, самообновление стволовых клеток, детерминация клеточных судеб, наведение аксонов и синаптогенез. Известно свыше 16 Wnt белков у позвоночных, все они обладают законсервированным остатком cysteine, который palmitoylated прежде, чем белок будет секретирован. Figure 1. Wnt Activity and Synapse Formation in the Worm (A) As the axon of the DA9 neuron passes through the tail and through a zone of Wnt expression, presynaptic termini are noticeably absent. However, when the axon passes out of the Wnt expression zone, presynaptic termini are formed. (B) Mutations in lin-44 (wnt) or lin-17 (frizzled) lead to synapse formation within the asynaptic region of the tail. (C) A model of how Wnt might prevent synapse formation within the asynaptic zone. Lin-44/Wnt binds to lin-17/frizzled, which signals through dsh-1 to prevent recruitment of synaptic vesicles to the putative active zone. Wnts позвоночных соединяются с Frizzled семейством из 7-transmembrane доменовых белков (rev. Miller, 2001). Wnts передают сигналы через несколько разных путей: Wnt canonical путь, планарной клеточной полярности путь и путь кальция. В каноническом пути Wnt соединяется с LRP/Frizzled ко-рецептором, который передает сигналы вниз на Disheveled (Dvl). Dvl затем ингибирует трио белков, GSK3p, Axin и APC. Ингибирование ведет к дефосфорилированию β-catenin, которое запускает его активацию и позволяет ему транслоцироваться в ядро, где он соединяется с TCF/LEF транскрипционными факторами. Неканонические пути у позвоночных также используют передачу сигналов белка Dvl и действуют посредством или JNK или CaMKII и PKC (rev. Ciani and Salinas, 2005). Как и у позвоночных Wnts у C. elegans участвуют в разнообразных процессах, таких как спецификация клеточных судеб и миграция нейробластов. Имеется 5 Wnts (lin-44, egl-20, mom-2, cwn-1 и cwn-2) и 4 Frizzled рецептора (lin-17, mom-5, mig-1 и cfz-2) у C. elegans. Как и у позвоночных имеется канонический и неканонические пути. Канонический путь законсервирован у беспозвоночных и позвоночных с гомологами нематод Dvl (dsh-1, dsh-2, and mig-5), GSK3J3 (gsk-3), Axin (pry-1) и APC (apr-1). Имеется 3 гомолога β-catenin e C. elegans (bar-1, wrm-1 и hmp-2) и только один гомолог TCF/LEF (pop-1). Bar-1 участвует у C. elegans в каноническом пути, где он соед иняется с pop-1, чтобы активировать транскрипцию. Wrm-1, однако, участвует у C. elegans в неканоническом пути и ингибируют pop-1. Хотя канонический путь у нематод сходен с путем у позвоночных, неканонические пути варьируют существенно (rev. Eisenmann, 2005; Herman and Wu, 2004). Wnts Negatively Regulate Synaptogenesis Klassen and Shen (2007) показали, что Wnt действует как негативный регулятор синаптогенеза в нейронах DA9 и может вносить вклад с специфичность мишеней. Они использовали synaptobrevin-1 (snb-1) репортерный ген, экспрессируемый в DA9 нейроне, чтобы проверить распределение пресинаптических окончаний нейрона DA9. В candidate-based подходе для идентификации сигналов, которые регулируют распределение синапсов, образуемых нейроном DA9, авт. сфокусировались на Wnts , т.к. lin-44 (C. elegans wnt ген) экспрессируется четырьмя гиподермальными клетками хвоста, которые создают предполагаемый Wnt градиент в асинаптической зоне. Авт. нашли, что мутации в lin-44 ведут к изменению распределения пресинаптических puncta в ранее асинаптической зоне (Figure 1). Этот фенотип усиливается с помощью мутации др Wnt, egl-20, который экспрессируется на передней и вентральной сторонах хвоста. Мутации в lin-17 (который кодирует Wnt рецептор) воспроизводят этот фенотип. Lin-17 локализуется в асинаптической области аксона DA9, подкрепляя интерпретацию, что локальная передача сигналов Wnt негативно регулирует синаптогенез (Figure 1). Более того, Klassen and Shen (2007) установили, что они могут манипулировать локализацией асинаптической области за счет неправильной экспрессии lin-44 под руководством egl-20 промотора. Они установили, что асинаптическая область расширяется, включая регионы, перекрываемые новым паттерном экспрессии lin-44. Менее удивительными, однако, оказались их находки, что когда они инвертируют Wnt градиент, то только 20% мутантных червей обнаруживают эктопические пресинаптические puncta. Чтобы понять, как передача сигналов Wnt регулирует образование синапсов, Klassen and Shen (2007) мутировали некоторые компоненты, стоящие ниже lin-17. Они впервые исследовали роль Dvl, ключевого нижестоящего эффектора передачи сигналов Wnt. В согласии с его ролью в передаче сигналов Wnt, они установили, что dsh-1 мутанты имеют повышенные количества пресинаптических puncta внутри ранее асинаптической области. Они также исследовали мутации у ряда компонентов сигнального пути Wnt: двух β-catenin гомологов (bar-1 и wrm-1); TCF/LEF-1 гомолога (pop-1); nematode-like kinase, lit-1 (которая регулирует pop-1); и гомолога axin (pry-1). Ни один из этих мутантов не влиял на распределение синапсов в асинаптических регионах внутри DA9 аксона, указывая тем самым, что новый C. elegans Wnt путь участвует в регуляции образования синапсов. Чтобы определить, участвует ли также передача сигналов Wnt в регуляции образования синапсов в др. нейронах, Klassen and Shen (2007) исследовали формирование синапсов в DB7 двигательном нейроне. Хотя DB7 нейроны занимают иную позицию в черве и посылают аксон кзади в дорсальный нервный тяж, они также способны формировать синапсы в хвостовом регионе червя. Авт. вызывали мутации или lin-44 или lin-17 и обнаружили перераспределение пресинаптических puncta внутри наиболее задней области. Это указывает на то, что др. двигательные нейроны у C. elegans могут использовать тот же самый механизм для корректного распознавания зоны синаптических мишеней, но предстоит определить, действует ли сходный механизм у позвоночных. Необходимо отметить, что анализ перераспределения синапсов после манипуляций с Wnt на иммунофлюоресцентной локализации синаптического белка. Поэтому необходим ультраструктурный анализ для подтверждения, что эктопические пресинаптические puncta на самом деле являются bona fide синапсами. Работа Klassen and Shen (2007) согласуется с двумя разными интерпретациями способа, с помощью которого Wnts регулируют синаптогенез. В одном случае Wnts могут просто действовать как антисинаптические сигналы. Это может объяснить полное отсутствие синапсов в области, гед экспрессируются Wnts. Альтернативная возможность заключается в том, что в случае потери Wnt происходит перераспределение скорее, чем абсолютное увеличение, количества пресинаптических puncta в до этого асинаптической области животного, то эффекты Wnts д.быть дозово-зависимыми. Высокие уровни Wnts могут ингибировать пресинаптическую дифференцировку, а низкие уровни могут способствовать пресинаптической дифференцировке. В таком случае Figure 2. Wnt Signaling and Segregation of Synaptic Inputs The axons expressing different Wnt receptors (Frizzled "A" and Frizzled "B") are initially intermixed in Wnt-positive and Wnt-negative zones. Frizzled "A" mediates an antisynap-togenic Wnt response, whereas Frizzled "B" mediates a prosynaptogenic response. This leads to segregation of the synapses from two axon populations to the Wnt-negative and Wnt-positive zones. Wnts могут действовать как морфогены (synapto-morphogens), чтобы индуцировать разные исходы исходя из локальной концентрации. Pro- and antisynaptogenic Wnt Signaling Предыдущие исследования на беспозвоночных и позвоночных представили Wnts как позитивные регуляторы синаптогенеза, поэтому находки Klassen and Shen (2007) столь возбуждающие. Исследования на культурах мозжечка мышей показали, что Wnt7a кондиционированная среда увеличивает количество и размер окончаний mossy волокон (Hall et al., 2000). Этот сигнал, как полагают, действует посредством Dvl, который ко-локализуется с пресинаптическими маркерами. Культуры мозжечка. происходящие от мышей, лишенных Dvl, также обнаруживали снижение пресинаптических puncta (Ahmad-Annuar et al., 2006). Исследования in vivo показали снижение размеров пресинаптических окончаний на 10 день постнатального развития, но эти различия не обнаруживались на 15 день (Hall et al., 2000), вообще-то из-за присутствия др. Wnts в мозжечке (Salinas et al., 1994). Это снижение слегка усиливается у мышей с отсутствием Wnt7a и Dvl (Ahmad-Annuar et al., 2006). Хотя эти эксперименты подтверждают возможную позитивную роль Wnts в синаптогенезе, но данные пока ограничены относительно того, могут ли Wnts влиять на количества функциональных синапсов. Wnts, как сообщалось, позитивно регулируют синапсы в нервно-мышчечных соединениях мух. В этом случае Wnts, как полагают, секретируются с помощью пресинаптических окончаний и действуют как на активную зону сборки, так и постсинаптическую организацию (Packard et al., 2002). Wingless (Wnt) мутанты обнаруживают снижение количества сайтов, высвобождающих трансмиттеры (boutons), в пресинаптических окончаниях и меняют цитоскелет этих окончаний. Субнабор мутантов Wingless обнаруживает лишь сборку синаптических пузырьков, но не комплексов активной зоны - коллекций белков в пресинаптических окончаниях, которые ответственны за priming и слияние пузырьков. Мутанты также обнаруживают нерегулярную экспрессию glutamate рецептора. Wnts и их рецептор (Dfz2) экспрессирутся в пресинаптических нейронах и постсинаптических мышечных клетках, хотя экспреименты по восстановлению подтверждают, что пресинаптическая экспрессия Wnt может быть достаточна, чтобы обеспечить синаптогенные эффекты Wnts в нейрвно-мышечных соединениях (Packard et al., 2002). В то время как эффекты Wnts у Drosophila подтверждают роль передачи сигналов Wnt в организации пресинаптического скелета, наблюдения Klassen and Shen (2007) указывают на иную роль Wnts в развитии синапсов. У lin-44 и lin-17 мутантных червей дефекты в наведении и морфологии аксонов DA9 нейрона в основном отсутствуют. Klassen and Shen's работа вместо этого указывает на то, что Wnts могут действовать локально, чтобы предупреждать рекрутирование синаптических пузырьков на пресинаптические окончания. Это может быть обусловлено дефектом сборки или организации активной зоны. Белки, которые могут быть наведены с помощью Wnt сигнала, включают Liprin-α или RIM-1, которые участвуют в сборке активной зоны (rev. Zhen and Jin, 2004) (Figure 1C). Patterning of Synaptic Inputs Как Wnts осуществляют как позитивные, так и негативные эффекты на формирование синапсов? Учитывая огромное разнообразие Wnt белков, существует одна возможность, что разные Wnt белки действуют как про- и антисинаптогенные сигналы. Др. интересная возможность в том, что один и тот же Wnt белок может осуществлять про- и антисинаптогенный эффекты в разных популяциях нейронов, которые экспрессируют разные Frizzled рецепторы или нижестоящие белки мишени. Т.о., две популяции нейронов, экспрессирующие разные Frizzled рецепторы, которые передают про- и антисинаптогенные Wnt реакции, д. формировать синапсы в разных Wnt-экспрессирующих доменах. Такой механизм может позволить первоначально перемешанным популяциям аксонов сегрегировать в разные зоны (Figure 2). Наконец. аналогично действию морфогенов, эффекты Wnts на синаптогенез могут быть зависимыми от дозы. Важным вкладом исследования Klassen and Shen является идентификация Wnts как антисинаптогенных сигналов, они широко могут использоваться в специфкации синаптических контактов и скорее всего, что сигналы иные чем Wnts, также осуществляют антисинаптогенные действия для нахождения зоны распознавания. Фактически имеются доказательства того, что Toll может действовать как негативный синаптогенный сигнал в нервно-мышечных соединениях дрозофилы. Toll является молекулой клеточной поверхности, которая экспрессируется у эмбрионов Drosophila в мышцах 15 и 16 примерно во время синаптогенеза. Во время нормального развития RP3 нейрон вытягивает аксон за мышцы 15 и 16, чтобы иннервировать мышцы 6 и 7. Когда Toll нокаутирован, RP3 аксоны останавливаются и иннервируют мышцы 15 и 16, указывая тем самым, что Toll обычно ингибирует образование синапсов RP3 с этими мышцами (Rose and Chiba, 1999; Rose and Chiba, 2000). Однако, Toll не является генеральным антисинаптогенным сигналом, т.к. др. нейроны др. классов. чем RP3 могут давать синапсы с мышцами 15 и 16 даже в присутствии Toll (Kraut et al., 2001). N/j/? разная чувствительность к антисинаптогенным сигналам может обеспечивать развитие специфических паттернов иннервации.

Установление функциональных рефлекторных дуг (circuits) в нервной системе нуждается в значительной специфичности при образовании синаптических соединений. Существенный прогресс был достигнут в понимании того, как нейроны, используя позитивные синаптогенные сигналы образуют синапсы на соотв. клетках мишенях. Примерами таких позитивных медиаторов синаптической специфичности являются SYG-1 и SYG-2, открытые у червя C. elegans. Эти две молекулы служат для наведения HSNL моторного нейрона, одного из 4-х нейронов, ответственных за яйцекладки. Без SYG-1 (локализующегося в окружающих эпителиальных клетках, где HSNL нейрон д. сформировать синапс) или SYG-2 (рецептора для SYG-1, расположенного на HSNL аксоне), специфичность синапсов нарушается и формируются эктопические синапсы на несоотв. клетках мишенях (Shen and Bargmann, 2003 and Shen et al., 2004). Сбалансированы ли такие позитивные сигналы негативными сигналами, которые предупреждают образование синапсов в несоотв. зонах мишенях? Klassen and Shen (2007) показали, что Wnt белки могут осуществлять антисинаптогенный эффект, чтобы предупредить иннервацию несоотв. клеток мишеней. Интересно, что Wnt белки, как известно, способствуют образованию синапсов, это говорит о том, что Wnts могут осуществлять про- и антисинаптогенные эффекты на разных клеточных популяциях, влияя на паттерны иннервации.

Klassen and Shen (2007), использовали DA9 нейрон у C. elegans чтобы продемонстрировать, как нейрон может посылать аксон через асинаптическую зону, чтобы достичь своей области мишени, не образуя ненужных синапсов. Нейрон DA9 имеет хорошо закрепленную позицию у C. elegans. Аксон отрастает от тела клетки на вентральной стороне червя и идет в направлении хвоста. Достигнув хвоста аксон поворачивает, переходит на дорсальную сторону и идет кпереди, чтобы сформировать синапс с мышцами дорсальной стенки тела, VD классом ингибирующих нейронов (Figure 1). Хотя мишени для этого нейрона мышцы стенки тела и ингибирующие нейроны находятся на дорсальной стороне червя, он не образует пресинаптических окончаний на наиболее заднем конце аксона. Klassen and Shen (2007) показали, что такое отсутствие образования синапсов является результатом передачи сигналов Wnt, т.о. указывая, что Wnts могут отвечать за распознавание синаптических зон.

Wnt Proteins in C. elegans

Wnts являются крупным классом сигнальных молекул, участвующих в разнообразных процессах в ходе развития, таких как спецификация осей тела, самообновление стволовых клеток, детерминация клеточных судеб, наведение аксонов и синаптогенез. Известно свыше 16 Wnt белков у позвоночных, все они обладают законсервированным остатком cysteine, который palmitoylated прежде, чем белок будет секретирован.

Figure 1. Wnt Activity and Synapse Formation in the Worm (A) As the axon of the DA9 neuron passes through the tail and through a zone of Wnt expression, presynaptic termini are noticeably absent. However, when the axon passes out of the Wnt expression zone, presynaptic termini are formed. (B) Mutations in lin-44 (wnt) or lin-17 (frizzled) lead to synapse formation within the asynaptic region of the tail. (C) A model of how Wnt might prevent synapse formation within the asynaptic zone. Lin-44/Wnt binds to lin-17/frizzled, which signals through dsh-1 to prevent recruitment of synaptic vesicles to the putative active zone.

Wnts позвоночных соединяются с Frizzled семейством из 7-transmembrane доменовых белков (rev. Miller, 2001). Wnts передают сигналы через несколько разных путей: Wnt canonical путь, планарной клеточной полярности путь и путь кальция. В каноническом пути Wnt соединяется с LRP/Frizzled ко-рецептором, который передает сигналы вниз на Disheveled (Dvl). Dvl затем ингибирует трио белков, GSK3p, Axin и APC. Ингибирование ведет к дефосфорилированию β-catenin, которое запускает его активацию и позволяет ему транслоцироваться в ядро, где он соединяется с TCF/LEF транскрипционными факторами. Неканонические пути у позвоночных также используют передачу сигналов белка Dvl и действуют посредством или JNK или CaMKII и PKC (rev. Ciani and Salinas, 2005).

Как и у позвоночных Wnts у C. elegans участвуют в разнообразных процессах, таких как спецификация клеточных судеб и миграция нейробластов. Имеется 5 Wnts (lin-44, egl-20, mom-2, cwn-1 и cwn-2) и 4 Frizzled рецептора (lin-17, mom-5, mig-1 и cfz-2) у C. elegans. Как и у позвоночных имеется канонический и неканонические пути. Канонический путь законсервирован у беспозвоночных и позвоночных с гомологами нематод Dvl (dsh-1, dsh-2, and mig-5), GSK3J3 (gsk-3), Axin (pry-1) и APC (apr-1). Имеется 3 гомолога β-catenin e C. elegans (bar-1, wrm-1 и hmp-2) и только один гомолог TCF/LEF (pop-1). Bar-1 участвует у C. elegans в каноническом пути, где он соед иняется с pop-1, чтобы активировать транскрипцию. Wrm-1, однако, участвует у C. elegans в неканоническом пути и ингибируют pop-1. Хотя канонический путь у нематод сходен с путем у позвоночных, неканонические пути варьируют существенно (rev. Eisenmann, 2005; Herman and Wu, 2004).

Wnts Negatively Regulate Synaptogenesis

Klassen and Shen (2007) показали, что Wnt действует как негативный регулятор синаптогенеза в нейронах DA9 и может вносить вклад с специфичность мишеней. Они использовали synaptobrevin-1 (snb-1) репортерный ген, экспрессируемый в DA9 нейроне, чтобы проверить распределение пресинаптических окончаний нейрона DA9. В candidate-based подходе для идентификации сигналов, которые регулируют распределение синапсов, образуемых нейроном DA9, авт. сфокусировались на Wnts , т.к. lin-44 (C. elegans wnt ген) экспрессируется четырьмя гиподермальными клетками хвоста, которые создают предполагаемый Wnt градиент в асинаптической зоне. Авт. нашли, что мутации в lin-44 ведут к изменению распределения пресинаптических puncta в ранее асинаптической зоне (Figure 1). Этот фенотип усиливается с помощью мутации др Wnt, egl-20, который экспрессируется на передней и вентральной сторонах хвоста. Мутации в lin-17 (который кодирует Wnt рецептор) воспроизводят этот фенотип. Lin-17 локализуется в асинаптической области аксона DA9, подкрепляя интерпретацию, что локальная передача сигналов Wnt негативно регулирует синаптогенез (Figure 1). Более того, Klassen and Shen (2007) установили, что они могут манипулировать локализацией асинаптической области за счет неправильной экспрессии lin-44 под руководством egl-20 промотора. Они установили, что асинаптическая область расширяется, включая регионы, перекрываемые новым паттерном экспрессии lin-44. Менее удивительными, однако, оказались их находки, что когда они инвертируют Wnt градиент, то только 20% мутантных червей обнаруживают эктопические пресинаптические puncta.

Чтобы понять, как передача сигналов Wnt регулирует образование синапсов, Klassen and Shen (2007) мутировали некоторые компоненты, стоящие ниже lin-17. Они впервые исследовали роль Dvl, ключевого нижестоящего эффектора передачи сигналов Wnt. В согласии с его ролью в передаче сигналов Wnt, они установили, что dsh-1 мутанты имеют повышенные количества пресинаптических puncta внутри ранее асинаптической области. Они также исследовали мутации у ряда компонентов сигнального пути Wnt: двух β-catenin гомологов (bar-1 и wrm-1); TCF/LEF-1 гомолога (pop-1); nematode-like kinase, lit-1 (которая регулирует pop-1); и гомолога axin (pry-1). Ни один из этих мутантов не влиял на распределение синапсов в асинаптических регионах внутри DA9 аксона, указывая тем самым, что новый C. elegans Wnt путь участвует в регуляции образования синапсов.

Чтобы определить, участвует ли также передача сигналов Wnt в регуляции образования синапсов в др. нейронах, Klassen and Shen (2007) исследовали формирование синапсов в DB7 двигательном нейроне. Хотя DB7 нейроны занимают иную позицию в черве и посылают аксон кзади в дорсальный нервный тяж, они также способны формировать синапсы в хвостовом регионе червя. Авт. вызывали мутации или lin-44 или lin-17 и обнаружили перераспределение пресинаптических puncta внутри наиболее задней области. Это указывает на то, что др. двигательные нейроны у C. elegans могут использовать тот же самый механизм для корректного распознавания зоны синаптических мишеней, но предстоит определить, действует ли сходный механизм у позвоночных. Необходимо отметить, что анализ перераспределения синапсов после манипуляций с Wnt на иммунофлюоресцентной локализации синаптического белка. Поэтому необходим ультраструктурный анализ для подтверждения, что эктопические пресинаптические puncta на самом деле являются bona fide синапсами.

Работа Klassen and Shen (2007) согласуется с двумя разными интерпретациями способа, с помощью которого Wnts регулируют синаптогенез. В одном случае Wnts могут просто действовать как антисинаптические сигналы. Это может объяснить полное отсутствие синапсов в области, гед экспрессируются Wnts. Альтернативная возможность заключается в том, что в случае потери Wnt происходит перераспределение скорее, чем абсолютное увеличение, количества пресинаптических puncta в до этого асинаптической области животного, то эффекты Wnts д.быть дозово-зависимыми. Высокие уровни Wnts могут ингибировать пресинаптическую дифференцировку, а низкие уровни могут способствовать пресинаптической дифференцировке. В таком случае

Figure 2. Wnt Signaling and Segregation of Synaptic Inputs The axons expressing different Wnt receptors (Frizzled "A" and Frizzled "B") are initially intermixed in Wnt-positive and Wnt-negative zones. Frizzled "A" mediates an antisynap-togenic Wnt response, whereas Frizzled "B" mediates a prosynaptogenic response. This leads to segregation of the synapses from two axon populations to the Wnt-negative and Wnt-positive zones.

Wnts могут действовать как морфогены (synapto-morphogens), чтобы индуцировать разные исходы исходя из локальной концентрации.

Pro- and antisynaptogenic Wnt Signaling

Предыдущие исследования на беспозвоночных и позвоночных представили Wnts как позитивные регуляторы синаптогенеза, поэтому находки Klassen and Shen (2007) столь возбуждающие. Исследования на культурах мозжечка мышей показали, что Wnt7a кондиционированная среда увеличивает количество и размер окончаний mossy волокон (Hall et al., 2000). Этот сигнал, как полагают, действует посредством Dvl, который ко-локализуется с пресинаптическими маркерами. Культуры мозжечка. происходящие от мышей, лишенных Dvl, также обнаруживали снижение пресинаптических puncta (Ahmad-Annuar et al., 2006). Исследования in vivo показали снижение размеров пресинаптических окончаний на 10 день постнатального развития, но эти различия не обнаруживались на 15 день (Hall et al., 2000), вообще-то из-за присутствия др. Wnts в мозжечке (Salinas et al., 1994). Это снижение слегка усиливается у мышей с отсутствием Wnt7a и Dvl (Ahmad-Annuar et al., 2006). Хотя эти эксперименты подтверждают возможную позитивную роль Wnts в синаптогенезе, но данные пока ограничены относительно того, могут ли Wnts влиять на количества функциональных синапсов.

Wnts, как сообщалось, позитивно регулируют синапсы в нервно-мышчечных соединениях мух. В этом случае Wnts, как полагают, секретируются с помощью пресинаптических окончаний и действуют как на активную зону сборки, так и постсинаптическую организацию (Packard et al., 2002). Wingless (Wnt) мутанты обнаруживают снижение количества сайтов, высвобождающих трансмиттеры (boutons), в пресинаптических окончаниях и меняют цитоскелет этих окончаний. Субнабор мутантов Wingless обнаруживает лишь сборку синаптических пузырьков, но не комплексов активной зоны - коллекций белков в пресинаптических окончаниях, которые ответственны за priming и слияние пузырьков. Мутанты также обнаруживают нерегулярную экспрессию glutamate рецептора. Wnts и их рецептор (Dfz2) экспрессирутся в пресинаптических нейронах и постсинаптических мышечных клетках, хотя экспреименты по восстановлению подтверждают, что пресинаптическая экспрессия Wnt может быть достаточна, чтобы обеспечить синаптогенные эффекты Wnts в нейрвно-мышечных соединениях (Packard et al., 2002).

В то время как эффекты Wnts у Drosophila подтверждают роль передачи сигналов Wnt в организации пресинаптического скелета, наблюдения Klassen and Shen (2007) указывают на иную роль Wnts в развитии синапсов. У lin-44 и lin-17 мутантных червей дефекты в наведении и морфологии аксонов DA9 нейрона в основном отсутствуют. Klassen and Shen's работа вместо этого указывает на то, что Wnts могут действовать локально, чтобы предупреждать рекрутирование синаптических пузырьков на пресинаптические окончания. Это может быть обусловлено дефектом сборки или организации активной зоны. Белки, которые могут быть наведены с помощью Wnt сигнала, включают Liprin-α или RIM-1, которые участвуют в сборке активной зоны (rev. Zhen and Jin, 2004) (Figure 1C).

Patterning of Synaptic Inputs

Как Wnts осуществляют как позитивные, так и негативные эффекты на формирование синапсов? Учитывая огромное разнообразие Wnt белков, существует одна возможность, что разные Wnt белки действуют как про- и антисинаптогенные сигналы. Др. интересная возможность в том, что один и тот же Wnt белок может осуществлять про- и антисинаптогенный эффекты в разных популяциях нейронов, которые экспрессируют разные Frizzled рецепторы или нижестоящие белки мишени. Т.о., две популяции нейронов, экспрессирующие разные Frizzled рецепторы, которые передают про- и антисинаптогенные Wnt реакции, д. формировать синапсы в разных Wnt-экспрессирующих доменах. Такой механизм может позволить первоначально перемешанным популяциям аксонов сегрегировать в разные зоны (Figure 2). Наконец. аналогично действию морфогенов, эффекты Wnts на синаптогенез могут быть зависимыми от дозы.

Важным вкладом исследования Klassen and Shen является идентификация Wnts как антисинаптогенных сигналов, они широко могут использоваться в специфкации синаптических контактов и скорее всего, что сигналы иные чем Wnts, также осуществляют антисинаптогенные действия для нахождения зоны распознавания. Фактически имеются доказательства того, что Toll может действовать как негативный синаптогенный сигнал в нервно-мышечных соединениях дрозофилы. Toll является молекулой клеточной поверхности, которая экспрессируется у эмбрионов Drosophila в мышцах 15 и 16 примерно во время синаптогенеза. Во время нормального развития RP3 нейрон вытягивает аксон за мышцы 15 и 16, чтобы иннервировать мышцы 6 и 7. Когда Toll нокаутирован, RP3 аксоны останавливаются и иннервируют мышцы 15 и 16, указывая тем самым, что Toll обычно ингибирует образование синапсов RP3 с этими мышцами (Rose and Chiba, 1999; Rose and Chiba, 2000). Однако, Toll не является генеральным антисинаптогенным сигналом, т.к. др. нейроны др. классов. чем RP3 могут давать синапсы с мышцами 15 и 16 даже в присутствии Toll (Kraut et al., 2001). N/j/? разная чувствительность к антисинаптогенным сигналам может обеспечивать развитие специфических паттернов иннервации.

Should I Stay or Should I Go: Wnt Signals at the SynapseElizabeth Davis and Anirvan Ghosh Cell V.130, No.4, P. 593-596, August 24, 2007

Should I Stay or Should I Go: Wnt Signals at the Synapse
Elizabeth Davis and Anirvan Ghosh
Cell V.130, No.4, P. 593-596, August 24, 2007